“我們的研究把這些被稱為‘生命’的高度複雜事件引入到原子領域和微觀世界 ……並獲得了成效。”
近日，一支國際研究團隊有史以來第一次使用量子計算機創造出了人工生命，也就是對生物體的模擬。科學家可以藉此理解各個層面上的生命，大到整個種群，小至細胞間的相互作用。
利用量子計算機，科學家用超導量子比特在微觀水平上表示個體生物體，並讓它們進行“交配”，跟周圍環境互動以及“死亡”，以此來模擬影響進化的一些主要因素。
這項具有突破性的新研究發表在10月4日的《科學報告》（Scientific Reports）雜誌上，它可能有助於科學家回答這樣一個問題，即生命的起源是否可以用量子力學來解釋，這是一種用亞原子粒子之間的相互作用來描述宇宙的物理理論。
生命是如何從非活性物質中誕生出來的，比如說曾經存在於地球上的有機分子“原始湯”？這是科學中最令人困惑的問題之一，而對量子人工生命進行建模是解答該問題的新方法。
1944年，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）在關於這一主題的開創性著作《生命是什麼》（What is Life？）中首次提出，答案可能藏在量子領域。但是，尋找答案的進程被耽擱了，因為創造用以模擬的量子計算機難度很大。
不同於你用來閱讀本文、只能處理比特信息（也就是值非0即1的信息單位）的普通“經典”計算機，量子計算機使用的是量子比特（也就是值可以又0又1的信息單位）。這種特性被稱為疊加態，意味著大型量子計算機將具備遠超經典計算機的信息處理能力。
這支研究團隊由來自巴斯克科學基金會（Basque Foundation for Science）的物理學家恩裡克·索拉諾（Enrique Solano）領導，他們的目標是創建一個計算機模型，在量子計算機上覆制達爾文式的進化過程。為此，研究人員使用了IBM開發的5量子比特量子處理器，該處理器可通過雲端訪問。
該團隊的量子算法在量子比特層面上模擬了重要的生物過程，比如自我複製、突變、個體間的相互作用以及死亡。最終結果是，他們精確模擬了在微觀層面上發揮作用的進化過程。
“生命是一種複雜的宏觀特徵，它源於無生命的物質，與此同時，量子信息是量子比特的特徵，而這種量子比特是出現在極小宇宙中的微觀孤立對象，”索拉諾在接收電郵採訪時表示，“我們的研究把這些被稱為‘生命’的高度複雜事件引入到原子領域和微觀世界……並獲得了成效。”
在模型中，研究人員使用兩個量子比特來表示個體。一個量子比特代表著個體的基因型（即決定特定性狀的遺傳密碼），另一個量子比特代表著個體的表現型（即那種性狀的生理表達）。
為了模擬自我複製，研究人員的算法通過量子糾纏（一種把量子比特連接起來的過程，以便它們可以即時交換信息）將基因型的期望值（所有潛在測量結果概率的平均值）複製到了一個新的量子比特當中。為了模擬突變，研究人員在應用於基因型量子比特的算法中編入了隨機的量子比特旋轉。
然後，該算法模擬了個體與周圍環境的相互作用，代表了衰老以及最終的死亡。為了完成這一步，算法從前一步的自我複製動作中獲取新的基因型，並通過糾纏將其轉移到另一個量子比特。新的量子比特代表著個體的表現型，個體的生命週期（即信息通過與環境相互作用發生降解或消散所用的時間）取決於編入該表現型的信息。
最後，算法模擬了個體之間的互動。這需要用到4個量子比特（2個基因型和2個表現型），但表現型只有在滿足特定標準時（這已經編入了它們的基因型量子比特）才會進行互動和信息交換。
這種互動產生了一個新的個體，整個過程週而復始。研究人員總計將這一過程重複了24,000多次。
“我們的量子個體受到了量子達爾文式進化的適應努力的驅動，它在更大的多量子比特糾纏態世代間有效地傳遞了量子信息，”研究人員寫道。
既然研究人員已經演示了一種量子人工生命算法，那麼下一步將是擴大算法以容納更多個體以及擴展個體所具有的特徵。例如，索拉諾告訴筆者，他和同事正在研究為量子比特添加“性別特徵”的可能性，以期進一步探索量子層面的社交和性別互動。
“我們可能發現，對於物種的生存和繁殖來說，可能兩種以上的性別更好，或者沒有性別之分更好，”索拉諾說道。
除此之外，索拉諾表示，他和同事希望擴大其量子人工生命模擬中個體之間的互動數量。不過，說到底這要取決於科學家升級量子計算硬件的能力。
雖然量子計算機在近些年取得了重大進展，但前方還有很長的路要走，這在很大程度上是拜量子比特的挑剔特性所賜。量子比特對噪音非常敏感；它們只可以在能夠保護它們免受外部干擾的複雜且昂貴的系統中製備，那通常需要很多激光設備、特殊材料以及超低溫條件。
即便如此，製備數十個量子比特的糾纏態已被證明困難重重。今年早些時候，谷歌實現了72量子比特處理器，創下了一項世界紀錄。不過，那距離“量子優越性”還有很遠的距離——所謂“量子優越性”，是指量子計算機超越地球上最強大經典計算機的理論節點。
雖然實現“量子優越性”所需的計算技術尚未完全到位，但索拉諾及其同事的研究工作可能最終給我們帶來這樣一種量子計算機，它能在沒有饋入人工算法的情況下自主地模擬進化。
翻譯：何無魚
審校：李莉
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